La Ferritina

Caleidoscopio

Gaetano Cairo

La Ferritina

Direttore Responsabile Sergio Rassu

117

I t a l i a n o

Serie Mosaici Romani

Caleidoscopio

Gaetano Cairo

La Ferritina

Direttore Responsabile Sergio Rassu

117

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Centro di Studio sulla Patologia Cellulare CNR

Via Mangiagalli 31

20133 Milano

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1) Björklund B., Björklund V.: Proliferation marker concept with TPS as a model. A preliminary report. J. Nucl.

Med. Allied. Sci 1990 Oct-Dec, VOL: 34 (4 Suppl), P: 203.

2 Jeffcoate S.L. e Hutchinson J.S.M. (Eds): The Endocrine Hypothalamus. London. Academic Press, 1978.

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Editoriale

L a ferritina viene generalmente considerata una proteina deputata all'accumulo del ferro intracellulare. Tuttavia, piccole quantitˆ di ferritina circolano nel siero degli individui normali ed il ruolo fisiologico della ferritina presente nel siero rimane oscuro.

Nonostante questo limite, la concentrazione di ferritina sierica rappresenta oggi l'indicatore pi• efficace, economico e meno invasivo delle riserve tissutali di ferro, sebbene esistano alcune riserve.

Infatti pur essendo un buon indicatore del deposito di ferro, poichŽ diminuisce progressivamente con il ridursi di questo, • uno scarso indicatore del deficit funzionale dello stesso. Infatti quando i depositi sono depleti la ferritina raggiuge un plateau di 12 µg/L e mostra una ulteriore scarsa riduzione quando si riduce il compartimento funzionale cioŽ: l'emoglobina, la mioglobina, la catalasi, ls perossidasi, la ribonucletido riduttasi etc. Va tenuto presente che il compartimento funzionale contiene circa il 70% del ferro corporeo mentre i depositi di ferro ne costituiscono solo il 30%.

Inoltre, la presenza di una anemia legata ad una malattia cronica (come le infiammazioni acute croniche, le epatite e le neoplasie) ne limita l'uso.

BenchŽ sia certo il ruolo centrale della ferritina nel metabolismo del ferro, negli ultimi anni sono emersi dei nuovi dati che sembrano indicare un possibile ruolo di questa proteina anche nel processo di ematopoiesi e nell'attivitˆ del sistema immune.

E' stato infatti dimostrato che la ferritina svolge una azione di inibizione sulla crescita in vitro delle cellule umane progenitrici ematopoietiche e sulla proliferazione dei linfociti T, sempre in vitro.

Del tutto recentemente • stato anche dimostrato che la ferritina agisce in vitro sopprimendo la differenziazione del linfociti B umani in plasmacellule.

Caleidoscopio I t a l i a n o

Questa monografia affronta in modo chiaro ed aggiornatissimo tutti gli aspetti legati alla fisiologia ed alla fisiopatologia della ferritina illustrando in modo chiaro le pi• attuali conoscenze legate a questa proteina, con la chiarezza di chi, su questo campo, studia e lavora incessantemente.

Non vengono peraltro tralasciati anche gli aspetti pi• strettamente clinici della tematica che vengono illustrati negli ultimi paragrafi. Si tratta pertanto di una monografia completa che sono sicuro susciterˆ lÕinteresse dei nostri lettori soprattutto per il rigoroso aggiornamento scientifico.

Il Dr. Cairo, dopo la laurea in Scienze Biologiche presso l' Istituto di Farmacologia dell'Universitˆ di Pavia, ha iniziato a frequentare l'Istituto di Patologia Generale dell'Universitˆ di Milano dove si • occupato dello studio delle alterazioni della sintesi di RNA e di proteine in modelli di patologia sperimentale epatica. Dopo un periodo trascorso presso l'Istituto Biosintesi Vegetali del CNR allo scopo di preparare la tesi di Laurea in Scienze Agrarie durante il quale ha studiato le proprietˆ molecolari di una proteina di riserva del mais, il Dr Cairo • ritornato all'Istituto di Patologia Generale dove tuttora lavora come ricercatore presso il Centro di Studio sulla Patologia Cellulare del CNR. Qui egli ha iniziato ad applicare le tecniche di ingegneria genetica acquisite studiando geni vegetali all'analisi dei meccanismi molecolari implicati nell'alterata espressione dei geni epatici. Negli ultimi 12 anni in particolare si • interessato proprio al controllo dell'espressione dei geni delle principali proteine del metabolismo del ferro.

Il Dr Cairo • autore di oltre 50 lavori "in extenso" su riviste internazionali, di capitoli di libri ecc. e dal 1994, in qualitˆ di Professore a contratto, insegna Applicazioni Biotecnologiche in Patologia agli studenti della facoltˆ di Medicina dell'Universitˆ di Milano.

Sergio Rassu

Introduzione

Il ferro è essenziale per le più elementari funzioni di ogni organismo, dai procarioti all’uomo. Esso serve infatti come cofattore per molti enzimi, sia sotto forma di non-emo che di emoproteine. Tra le prime, appare sempre più evidente l’importanza delle proteine in cui il ferro è complessato con lo zolfo. Le emoproteine a loro volta sono implicate in un vasto spettro di funzioni biologiche cruciali tra cui il trasporto e l’utilizzo dell’ossigeno.

D’altra parte, il ferro, se non complessato, è anche potenzialmente tossico perchè facilmente catalizza la trasformazione di specie attive dell’ossigeno quali l’anione superossido e l’acqua ossigenata formatisi durante la normale attività metabolica della cellula in radicali ossidrilici ben più reattivi e pe- ricolosi.

Il metabolismo del ferro tocca quindi molti aspetti della biologia e della medicina: ad esempio, la sintesi delle proteine, la crescita cellulare, i meccanismi di difesa corporei, i processi degenerativi. Di conseguenza, il sovraccarico di ferro è stato indicato come fattore di rischio per processi patologici di grande importanza sociale quali il cancro, la malaria, la ma- lattia di Alzheimer, i danni da riperfusione post-trapianto, le infezioni, l’in- farto del miocardio. D’altro lato, giova sottolineare che l’anemia da carenza di ferro colpisce il 10% della popolazione mondiale con notevoli riper- cussioni sulla capacità di apprendimento, di lavoro, di procreazione, di risposta alle malattie infettive.

Da quanto detto per il ferro si può facilmente dedurre che anche la fer-

ritina, la principale proteina di deposito di questo metallo, modulandone la

disponibilità, può avere molteplici ed importanti ruoli. In questa monografia

verrà esaminato il ruolo della ferritina nel metabolismo del ferro sia in

condizioni normali che patologiche e si accennerà ai complessi meccanismi

molecolari che controllano finemente e strettamente l’espressione di questa

proteina.

Il metabolismo del ferro e l’importanza della sua conservazione

La prominenza del ruolo del ferro in biologia riflette la sua versatilità chimica, cioè la sua capacità di cambiare valenza. Questa capacità è stata sapientemente sfruttata dalla natura utilizzando il ferro in un’ampia serie di processi biologici fondamentali: creando, ad esempio, una serie di ligandi organici per dotare le proteine che trasportano elettroni di una grande varietà di potenziali di ossidoriduzione. Inoltre, il ferro si ritrova anche nel sito attivo di molti enzimi e di proteine che trasportano ossigeno. Tuttavia, quando milioni di anni fa l’atmosfera terrestre è a poco a poco diventata os- sidante, il ferro, nonostante la sua estrema abbondanza, ha incominciato ad essere poco disponibile. Infatti, a pH fisiologico e in condizioni ossidanti, il ferro è estremamente insolubile.

L’importanza funzionale del ferro, accoppiata con la sua scarsa biodispo- nibilità, ha obbligato gli organismi viventi ad evolvere da un lato sistemi di riciclaggio del metallo, dall’altro proteine che lo tenessero in soluzione ma che, al contempo, evitassero la sua pericolosa disponibilità a fare da cataliz- zatore nella reazione di formazione di dannosi radicali dell’ossigeno attra- verso la reazione indicata in Figura 1. Nei vertebrati questa funzione è espli- cata in sede extra-cellulare dalla trasferrina, che complessa il ferro in circolo e lo distribuisce ai vari tessuti, e in sede intra-cellulare dalla ferritina che rap- presenta la sede di deposito del metallo all’interno della cellula. Ambedue le proteine conservano il ferro nella forma Fe(III) che non catalizza la produ- zione di radicali; in particolare, la ferritina, che agisce all’interno della cel- lula, dove risiedono i principali potenziali bersagli del danno ossidativo me- diato da ferro, svolge la sua azione trasformando il Fe(II), altamente reattivo, nel meno tossico Fe(III) e sequestrando quest’ultimo al suo interno (46).

O

+ O

+ 2H

→ H

O

+ O

O

+ Fe

→ Fe

+ O

Fe

+ H

O

→ HO

+ HO

+ Fe

Figura 1. Reazione di Fenton. Formazione di radicali idrossili catalizzata

da ferro a partire da anione superossido.

Il metabolismo del ferro nell’uomo

La figura 2 riporta uno schema dei movimenti del ferro nel corpo umano.

Il ferro viene trasportato in circolo dalla trasferrina che lo riceve principal- mente dalle cellule del sistema reticoloendoteliale e lo cede soprattutto alle cellule del midollo osseo, che usano il ferro per la sintesi di emoglobina. An- che tutte le altre cellule sono però in grado di accettare ferro trasferrinico e di utilizzarlo per la sintesi di proteine essenziali per la loro vita (es. per la re-

Trasferrina 3 mg

Assorbimento/Escrezione

Midollo 150 mg

Globuli rossi 2300 mg

Cellule Reticoloendoteliali

500 mg Tessuti

parenchimali Muscolo Epidermide

400 mg Epatociti

200 mg

1

1

7 5

30

24

28

22 6

2

Figura 2. Metabolismo sistemico del ferro. I numeri indicano i mg di ferro

scambiati tra i vari compartimenti nelle 24 ore.

spirazione) e per la loro moltiplicazione (es. per la sintesi del DNA). A loro volta le cellule reticoloendoteliali si procurano ferro distruggendo globuli rossi ormai vecchi o danneggiati. Questo interscambio di ferro rappresenta circa l’80% del turnover giornaliero del metallo (42). Una quota molto più piccola proviene dalla dieta e viene assorbita a livello duodenale attraverso meccanismi ancora non noti; l’assorbimento risponde a variazioni nei depo- siti corporei o nelle richieste del midollo mediate da segnali non ancora iden- tificati (77).

Il ferro trasferrinico viene utilizzato dalle cellule grazie alla internalizza-

zione della trasferrina legata ad uno specifico recettore; trasferrina e re-

cettore vengono riportati alla superficie cellulare dove la loro unione finisce

e la trasferrina priva di ferro ritorna in circolo (38). Il ferro liberatosi al-

l’interno della cellula entra in un pool assai mal caratterizzato chiamato pool

labile (LIP) e può in seguito essere utilizzato per le necessità metaboliche

della cellula o essere conservato all’interno della ferritina.

Struttura e distribuzione della ferritina

La ferritina è forse la proteina del metabolismo del ferro da più tempo e meglio conosciuta, infatti cade quest’anno il 60° anniversario della sua cri- stallizzazione, le sue caratteristiche sono riassunte nella Tabella 1. La ferriti- na è una molecola sferica formata da 24 catene polipeptidiche, o subunità, che racchiudono una cavità entro la quale si possono depositare fino a 4000 atomi di ferro (81) (Figura 3). Esistono due tipi di catene, chiamate H e L, che nell’uomo hanno peso molecolare 21000 e 19000, rispettivamente. Le ferri- tine isolate dai tessuti di mammiferi consistono di una miscela di isoferritine derivate dall’unione delle due subunità in diverse proporzioni (1). In genere le isoferritine ricche in subunità L predominano nei tessuti deputati all’im- magazzinamento a lungo termine del ferro (ad es. fegato e milza) e hanno un alto contenuto di ferro; le isoferritine ricche di subunità H sono invece carat- teristiche dei tessuti in cui avvengono rapidi scambi di ferro (ad es. tessuto eritroide) e hanno un contenuto di metallo più scarso (46) (vedi Tabella 2).

Le caratteristiche delle due subunità spiegano la diversa funzionalità delle varie isoferritine. La funzione primaria della ferritina, cioè il deposito di Fe(III), prevede infatti l’ossidazione del Fe(II) e la sua conservazione all’in- terno della cavità in forma cristallina come ferridrite. La disponibilità di fer- ritine ricombinanti omopolimeriche ottenute con tecniche di ingegneria ge- netica e la possibilità di fare mutagenesi sito-specifica ha permesso di ac- certare che il primo di questi compiti è opera di siti catalitici localizzati in re- sidui aminoacidici presenti esclusivamente nella subunità H (57). Le sub- unità L sembrano invece essere importanti per la formazione del nucleo di ferridrite nella cavità (59). Il ruolo complementare delle due catene, rapida

Proteina Subunità mRNA Gene Esoni Cromosoma assemblata

KDa KDa Kbasi Kbasi

H 550 21 1 3 4 11

L 480 19 1 3 4 19

G - 23 - - - -

Tabella 1. Caratteristiche molecolari della ferritina umana.

Figura 3. Struttura della ferritina. La figura nel pannello A mostra la

disposizione a sfera delle 24 subunità assemblate, nel pannello B viene

mostrato uno “spaccato” della ferritina che mette meglio in evidenza la

cavità interna in cui, una volta entrato attraverso i canali, si deposita il

ferro. N indica l’estremità aminoterminale delle catene; E indica la regione

ad α elica chiamata E posta all’estremità carbossiterminale delle catene.

ossidazione del ferro da parte della H ed efficace ritenzione da parte della L, rendono pertanto ragione della presenza esclusiva di eteropolimeri nelle ferritine estratte da tessuti.

Una forma particolare di ferritina, tipica delle condizioni di sovraccarico cellulare, è rappresentata dall’emosiderina. Quest’ultima è probabilmente un prodotto di degradazione lisosomale della ferritina (70). L’emosiderina, a differenza della ferritina, è insolubile e pertanto la notevole quantità di ferro in essa contenuto è poco disponibile. La ferritina infatti non serve a trattene- re indefinitamente il ferro ma a conservarlo in maniera disponibile alle ne- cessità metaboliche della cellula e, più in generale, dell’organismo. In vitro, il ferro può essere mobilizzato dalla ferritina ad opera di un elevato numero di sostanze riducenti a basso peso molecolare accoppiate a chelanti del Fe(II) (46), ma non è noto quali siano i riducenti che operano in vivo. Soprattutto in particolari condizioni fisio-patologiche è inoltre possibile che il ferro sia reso disponibile mediante degradazione proteolitica della ferritina (26, 72, 80).

Concentrazione H/L

Fegato 0.31 mg/g 0.05

Milza 0.58 mg/g 0.1

Rene 0.05 mg/g 0.3

Cuore 0.12 mg/g 1

Eritrociti 0.13 fg/cell. 10

Linfociti 15 fg/cell. 1

Monociti 70 fg/cell. 0.7

Siero 10-300 ng/ml <0.01

Latte ~1000 ng/ml 8

Colostro ~ 2000 ng/ml 0.5

Tabella 2. Concentrazione e rapporto tra le subunità della ferritina nei vari

tessuti e liquidi corporei.

I geni della ferritina

Nell’uomo e in altri animali esistono copie multiple sia dei geni codi- ficanti la catena L che di quelli per la catena H (2). La maggior parte sono pseudogeni privi di introni, senza significato funzionale. Nell’uomo, il gene attivo della subunità L è stato localizzato sul cromosoma 19, quello della H sul cromosoma 11 (2). Una certa eccitazione fra gli studiosi del ferro era stata suscitata dalla presenza di sequenze ibridizzanti con la sonda molecolare per la subunità H sul cromosoma 6 (78) dove è mappato il locus dell’emocroma- tosi, una malattia genetica caratterizzata da uno sregolato assorbimento di ferro (76), ma studi successivi hanno chiarito che queste sequenze sul cromo- soma 6 non sono espresse (91).

Le strutture regolatrici fiancheggianti i geni della ferritina sono state a

lungo trascurate dai ricercatori e quindi se ne conosce ben poco. Nell’uomo è

stata analizzata una porzione piuttosto ridotta all’estremità 5’ del gene per la

catena H nella quale sono stati trovate alcune regioni necessarie per la tra-

scrizione (5, 12) mentre elementi che influenzano positivamente o negativa-

mente la trascrizione sono stati trovati nel promotore del gene per la catena

L (36); tuttavia non sono state identificate sequenze importanti per l’espres-

sione tessuto-specifica o per la risposta trascrizionale al ferro o ad altri indut-

tori. Il gene per la subunità H del topo è meglio conosciuto, infatti la regione

del promotore è stata analizzata in dettaglio e sono state identificate regioni

riconosciute dal fattore di trascrizione ubiquitario NF-Y in maniera dipen-

dente dal differenziamento e dal trattamento con eme (62). Inoltre, il clonag-

gio molecolare di una regione più estesa ha permesso di identificare una zo-

na regolatrice 4.5 kbasi a monte del gene che ha caratteristiche di un enhan-

cer e che contiene 3 siti importanti, bersaglio rispettivamente della proteina

codificata dall’oncogene virale EI-A (82), del fattore trascrizionale eritroide

NF-E2 (9) e di proteine nucleari della famiglia NF-kB/rel (56). Un trascritto

con una regione 3’ inusualmente lunga, frutto dell’uso di un sito di poliade-

nilazione alternativo, è stato identificato nel cervello, ma il significato fisio-

logico della sua presenza non è stato chiarito (37).

Regolazione della biosintesi di ferritina

Il fattore che maggiormente influenza la sintesi di ferritina è naturalmen- te la concentrazione di ferro nel LIP. Come vedremo più avanti, l’azione maggiore è esercitata a livello traduzionale, tuttavia è stata anche ben docu- mentata una risposta trascrizionale con un aumento dell‘accumulo dei mRNA sia della subunità H che della subunità L. Questa risposta è stata os- servata sia in sistemi sperimentali costituiti da cellule coltivate in vitro (20) che in animali da esperimento (86) ed anche in pazienti con sovraccarico di ferro epatico (68).

Tuttavia, già più di 30 anni fa Drysdale e Munro avevano presentato al- cuni risultati che indicavano come il controllo dell’espressione della ferritina prescindesse dalla trascrizione del gene (39). Questi primi studi erano stati poi proseguiti soprattutto dal gruppo diretto da Hamish Munro a Boston e i risultati avevano permesso la costruzione, 10 anni più tardi, di un modello di regolazione traduzionale della sintesi di ferritina (89) che delineava con sconcertante preveggenza quanto poi i risultati di altri 20 anni di ricerche avrebbero chiarito nei dettagli, facendo della regolazione dell’espressione del metabolismo del ferro il modello di regolazione post-trascrizionale me- glio conosciuto. La versione più aggiornata di questo modello prevede che, in risposta ad un aumento della concentrazione intracellulare di ferro, i mRNA delle subunità H ed L, che sono in larga parte conservati in forma inattiva nel citoplasma in particelle ribonucleoproteiche, si associno ai poli- somi per venire attivamente tradotti. Si ha così una rapida risposta all’in- gresso di ferro nella cellula con una pronta sintesi di catene di ferritina senza la necessità di sintetizzare nuovi mRNA (51, 54, 58).

Il clonaggio dei cDNA delle catene H e L ha evidenziato la presenza nella

regione non tradotta al 5’ del mRNA di una sequenza molto conservata fra le

specie che aveva la possibilità di formare una struttura secondaria detta

stem-loop e che era essenziale e sufficiente per la risposta traduzionale a va-

riazioni nella concentrazione di ferro. E’ stato poi accertato che questa regio-

ne del mRNA chiamata Iron Responsive Element (IRE) viene riconosciuta e

legata da una proteina; non la ferritina stessa, come aveva ipotizzato Munro

nel suo modello di autoregolazione, ma una proteina citoplasmatica di peso

molecolare 90000 ora conosciuta come Iron Regulatory Protein (IRP) che è

anche stata identificata come la controparte citoplasmatica dell’aconitasi, un

enzima del ciclo di Krebs (10). Quando il ferro è abbondante IRP è inattiva e,

grazie al suo cluster ferro zolfo (4Fe-4S), ha attività aconitasica; non lega

quindi i mRNA della ferritina che vengono così tradotti. In condizioni di

carenza di ferro invece non si ha costituzione del cluster, IRP non ha attività

enzimatica e, legandosi ai mRNA delle catene H e L, funziona come repres-

sore della sintesi di ferritina (51, 52, 56). La regolazione dell’omeostasi del

ferro è quindi regolata tramite la conversione post-traduzionale dell’IRP tra

forma enzimatica e forma attiva nel legare RNA, senza cambiamenti dei

livelli di proteina. Il sistema non è però così semplice; infatti: i) esistono due

IRP con caratteristiche in parte diverse, ii) l’attività di IRP è regolata anche

da fattori diversi dal ferro, iii) IRP non lega solo i mRNA delle subunità

ferritiniche ma anche, come vedremo in dettaglio, quello del recettore della

trasferrina, la principale via di ingresso del ferro nella cellula. Riguardo a

quest’ultimo punto è stato dimostrato che anche altri mRNA: quello del-

l’aconitasi mitocondriale, della succinato deidrogenasi (per ora accertato solo

in Drosofila), della aminolevulinato sintasi eritrocitaria (eALAS) sono rego-

lati dall’interazione IRE/IRP (46, 51). Questo meccanismo di regolazione

estende quindi la sua influenza molto più di quanto fosse ipotizzabile e

governa il metabolismo del ferro in modo molto ampio (ad esempio con-

trolla tramite l’eALAS l’utilizzo del ferro per la sintesi dell’eme e tramite

l’aconitasi i rapporti fra i citrato ed isocitrato che sono ligandi più o meno

forti del ferro nel LIP). Il ritrovamento di altri mRNA con un IRE funzionale

potrà sperabilmente fornire ulteriori indicazioni sulle vaste ramificazioni

metaboliche del metabolismo del ferro.

Regolazione coordinata del metabolismo del ferro

Subito dopo la scoperta delle sequenze IRE nei mRNA delle catene H e L è stata identificata la presenza di 5 strutture simili nella regione non tradotta al 3’ del mRNA per il recettore della trasferrina. La regolazione dell’espres- sione del recettore della trasferrina segue un andamento coordinato ma opposto a quello della ferritina. Infatti l’IRP in forma attiva, legandosi alle sequenze IRE, protegge il mRNA del recettore della trasferrina dall’azione di RNAsi aumentandone la stabilità e quindi l’espressione e portando così ad una maggior ingresso di ferro nella cellula (si ha contemporaneamente an- che una maggior disponibilità grazie al blocco della sintesi di ferritina). Vice - versa, una repressione dell’attività di IRP da parte del ferro, lasciando via libera alla traduzione dei mRNA della ferritina e alla degradazione del mRNA del recettore della trasferrina porta ad una prevalenza del sequestro di ferro nei confronti dell’ingresso di nuovo metallo (51, 54, 58). Ne consegue che la funzione precipua del sistema di regolazione basato sulle IRP è quella di coordinare l’assorbimento e la conservazione del ferro all’interno della cellula in modo tale da mantenere una concentrazione di metallo libero adeguata alle necessità metaboliche della cellula stessa ma al di sotto del livello di guardia oltre il quale il ferro può divenire tossico.

E’ stata anche identificata e caratterizzata una seconda IRP: IRP-2 (48, 51).

Le principali somiglianze e differenze fra le due IRP sono riassunte nella Tabella 3.

IRP-1 IRP-2

98 kDa Massa molecolare 104 kDa

9 cromosoma 15

K

~60 pM affinità per IRE K

~60 pM

si cluster 4Fe-4S ?

si attività aconitasica no

si attivazione da agenti riducenti no si regolazione da parte del Fe si

Tabella 3. Caratteristiche molecolari delle Iron Regulatory Proteins.

Affinità e differenze fra IRP-1 e IRP-2.

IRP-2 è solitamente meno abbondante di IRP-1, con cui ha una notevole omologia di sequenza aminoacidica. Nonostante la conservazione di alcuni residui aminoacidi critici per la formazione del cluster in IRP-1, IRP-2 non sembra in grado di formare un cluster 4Fe-4S nè, di conseguenza, sembra avere attività aconitasica (48, 51). La specificità e l’affinità con cui IRP-2 si le- ga a motivi IRE sono simili a quelle di IRP-1, ma le modalità di regolazione da parte dei livelli di ferro sono profondamente diverse. Infatti, i livelli di IRP-2 diminuiscono molto in cellule ricche di ferro, in seguito a una degra- dazione mirata, proteasoma-dipendente, mediata da una sequenza amino- acidica di 73 residui non presenti in IRP-1 (48, 51) (Figura 4).

I ruoli specifici di IRP-2 non sono ancora noti, anche se alcune caratteri- stiche lasciano intravedere la possibilità che abbia funzioni particolari e non svolga solo un ruolo vicario a quello della più abbondante IRP-1. Infatti, i) la sua distribuzione cellulare non è sovrapponibile a quella di IRP-1 (48, 51), ii) è attivata specificamente in particolari situazioni, quali ad esempio la proli- ferazione cellulare (22, 45), iii) ha la possibilità, almeno teorica, di riconosce- re sequenze IRE diverse da quella canonica con affinità maggiore di quella di IRP-1 (19, 49, 50).

Due studi recenti sottolineano l’importanza di IRP-2: è stata identificata una linea cellulare priva di IRP-1 ma con una perfetta regolazione del- l’omeostasi marziale (74); è stato dimostrato che il trattamento di macrofagi murini con citochine provoca un effetto opposto su IRP-1 e IRP-2 ma è la risposta di quest’ultimo che governa il metabolismo del ferro in queste cellule (69).

Dal momento che l’aconitasi mitocondriale rappresenta un bersaglio per l’attività dell’ossido nitrico (NO) rilasciato da macrofagi attivati, è stata stu-

Fe apo IRP-1

4Fe-4S IRP-1

IRP-2 neo sintesi

IRP-2

degradazione mediata dal proteasoma -

+

- +

Figura 4. Meccanismi di regolazione dell’attività delle IRP. Il ferro modula

il passaggio di IRP-1 tra la forma olo (4Fe-4S) con attività aconitasica e la

forma apo con attività di legame a sequenze IRE senza variazioni dei livelli

di proteina. Cambiamenti nei livelli di ferro influiscono invece sulla

quantità di IRP-2.

diata anche la risposta dell’IRP a NO. Questo gas, che agisce da mediatore per un vasto spettro di funzioni biologiche, attiva la capacità di IRP di legar- si a sequenze IRE, inibendone al contempo l’attività aconitasica (51). Le im- plicazioni biologiche di questo effetto del NO sul metabolismo del ferro sono sottolineate anche dal fatto che la trascrizione del gene per la NO sintasi è inducibile dal ferro, dimostrando quindi che, almeno nei macrofagi, il con- trollo del metabolismo del ferro e NO sono strettamente collegati (85). Ciò potrebbe essere rilevante per la comprensione dei cambiamenti del me- tabolismo marziale in molti stati patologici, quale ad esempio l’anemia da malattia cronica. L’attività di IRP è influenzata anche dallo stato redox, in- fatti, in vitro, è stimolata da agenti riducenti e inibita da sostanze ossidanti (52, 63) che interreagiscono con residui di cisteina critici per la formazione del cluster (53, 67). Allo stesso modo, anche le specie attive dell’ossigeno (ROS) responsabili dei danni da stress ossidativo influenzano l’attività di IRP. Tuttavia, i dati finora riportati non hanno chiarito appieno quale sia l’effetto delle ROS. Infatti, il trattamento di cellule con acqua ossigenata aumenta la capacità di legame di IRP (61, 66); viceversa, nel fegato di ratti sottoposti a stress ossidativo causato da deplezione di glutatione o da riperfusione post-ischemica, l’attività di IRP è drasticamente diminuita, favorendo così la neosintesi di ferritina (26, 80). Inoltre, dati recenti hanno mostrato che in un sistema cell-free l’anione superossido e l’acqua os- sigenata causano una forte inibizione di IRP, senza l’intervento del ferro (21).

L’aumento di sintesi di ferritina conseguente all’inibizione di IRP, dimi- nuendo la disponibilità di ferro per la generazione di pericolosi radicali os- sidrili a partire da anione superossido e acqua ossigenata, potrebbe avere un importante ruolo protettivo nei confronti del danno ossidativo secondo lo schema indicato nella figura 5.

Inibizione dell’attività di IRP

Stimolazione della sintesi di ferritina e diminuzione dell’espressione del recettore della trasferrina

Riduzione del pool intracellulare di ferro

Prevenzione dell’amplificazione del danno ossidativo catalizzata dal ferro

Figura 5. Effetti dell’inibizione dell’attività di IRP sulla risposta cellulare

allo stress ossidativo.

La scoperta e la caratterizzazione del sistema regolatore basato sull’inte- razione fra IRE ed IRPs ha permesso di comprendere numerosi dettagli sulla regolazione coordinata dell’assunzione, utilizzazione e conservazione del ferro da parte delle cellule ed ha anche rappresentato un utilissimo sistema modello per indagare i meccanismi della regolazione post-trascrizionale dell’espressione genica. Accanto al consolidato modello della regolazione delle proteine del metabolismo del ferro da parte dei livelli di metallo nel pool regolatore sembra anche che si vada sempre più affermando il concetto secondo il quale vari tipi di segnali, provenienti sia dall’esterno che dall’in- terno della cellula (es.: la proliferazione cellulare, lo stress ossidativo, l’azio- ne delle citochine e di NO), agiscano direttamente, sia a livello trascrizionale che post-trascrizionale (alterando l’attività dell’IRP in maniera ferro-indipen- dente), per modulare l’espressione del recettore della trasferrina e, soprattut- to, della ferritina (Figura 6). In questo modo si può avere una modulazione ferro-indipendente del pool libero ed esercitare quindi conseguenze notevoli su numerosi processi metabolici di vitale importanza per la cellula. Un’ulte- riore analisi di queste interconnessioni tra il controllo dell’omeostasi intra- cellulare del ferro e altri importanti processi metabolici potrà sperabilmente portare ad una miglior comprensione delle basi molecolari e cellulari di numerosi processi patologici in cui il ferro può avere un ruolo importante.

Ft TfR eALAS m. Aconitasi

SDHb

sintesi

ROS

Fattori di crescita Ormoni

Citochine Differenziamento mRNA TfR

Ft

LIP IRPs

ROS

NO altri mediatori

Figura 6. Effetti di varie condizioni fisiopatologiche sul metabolismo

intracellulare del ferro. Meccanismi trascrizionali e post-trascrizionali

attivati da segnali ferro-ndipendenti possono concorrere a modulare il ferro

nel pool libero intracellulare (LIP) con effetti su altre vie metaboliche quali

la sintesi dell’eme mediata dall’aminoevulinato sintasi (eALAS), il ciclo

dell’acido citrico in cui intervengono l’aconitasi mitocondriale e la

succinato deidrogeneasi (SDHb)

Regolazione ferro-indipendente della sintesi di ferritina

L’espressione della ferritina può essere condizionata anche da stimoli che non prevedono significative variazioni dei livelli intracellulari di ferro (64, 88). Infatti la sintesi di ferritina è stimolata a vari livelli durante lo sviluppo, il differenziamento cellulare, ed è influenzata dalla velocità di crescita cellu- lare da vari ormoni e citochine. Inoltre essa è influenzata anche da varie con- dizioni patologiche quali l’infiammazione (23) e lo stress ossidativo (26, 80).

In particolare, per quanto riguarda gli stimoli ormonali, è stata ben docu- mentata l’azione stimolatrice sulla sintesi di catene H da parte del TSH in cellule di tiroide (29) e del progesterone nell’utero durante la gravidanza (92). E’ interessante notare come l’espressione dei geni per ambedue le ca- tene di ferritina sia regolata da citochine infiammatorie a livello traduzionale come avviene per il controllo ferro-dipendente ma mediante sequenze diverse dall’IRE (71). Il legame tra ferritina e controllo della crescita cellulare è stato recentemente e direttamente messo in evidenza dalla dimostrazione di uno stretto legame fra l’espressione dei geni della ferritina e quella della ribonucleotide reduttasi, l’enzima che fornisce i deossiribonucleotidi essen- ziali per la sintesi di DNA (40). L’attivazione di pathways di trasduzione del segnale mediata da fosforilazione PKC dipendente potrebbe essere coinvolta in questi eventi (65). Dagli esempi riportati risulta evidente che spesso questi stimoli provocano una variazione dei livelli di mRNA della catena H. Inol- tre, molto spesso un cDNA della catena H è stato “casualmente” identificato durante esperimenti che prevedevano tecniche di screening differenziale di mRNA indotti o repressi da vari stimoli.

A nche la composizione delle isoferritine nei vari tessuti è, almeno in par-

te dovuta ad un diverso accumulo dei mRNA per le subunità H e L, esiste

quindi un controllo trascrizionale per l’espressione tessuto-specifica dei

rispettivi geni (7, 24). Tuttavia, come ricordato prima, non sono state iden-

tificate le sequenze geniche regolatrici che servono per la risposta specifica ai

vari stimoli, né, tanto meno, i fattori trascrizionali coinvolti, con l’eccezione

della recente descrizione del ruolo di fattori nucleari nella regolazione della

trascrizione del gene H di topo durante il differenziamento eritroide (62).

Altre funzioni biologiche della ferritina

Come già ricordato, la tossicità del ferro risiede in primo luogo nella sua capacità di promuovere la formazione di ROS, i principali agenti del danno ossidativo.

Il ferro contenuto all’interno della ferritina è relativamente inerte nella formazione di ROS ma può diventare attivo se rilasciato nel citoplasma per azione di sostanze riducenti o per rottura delle molecole di ferritina. In questo caso il ferro ferritinico può portare alla perossidazione lipidica con notevole danno, se non la morte, per la cellula e quindi la ferritina svolge- rebbe un’azione proossidante, anche se bisogna sottolineare che manca an- cora un’evidenza diretta in vivo di questo ruolo.

Alcuni dati recenti ottenuti utilizzando cellule in coltura sembrano invece indicare un ruolo antiossidante per la ferritina. Infatti ferritine sintetizzate dalle cellule stesse in seguito a trattamento con ferro o aggiunte esogena- mente al mezzo di coltura rendevano cellule endoteliali in coltura più re- sistenti a stress ossidativi (4, 84). Inoltre, osservazioni simili sono state fatte valutando l’effetto protettivo dell’induzione della catena H da parte del TNF-α sull’effetto citotossico, mediato dalle ROS, del TNF stesso (83).

In generale, la catena H, che, grazie alla sua attività ferrossidasica, può direttamente regolare il pool del ferro libero, sembra più implicata nella risposta al danno ossidativo. Bisogna anche ricordare che probabilmente la situazione in vivo è più complessa, infatti abbiamo dimostrato che in seguito a danno ossidativo epatico indotto sia da deplezione di glutatione che da riperfusione post-ischemica la ferritina può svolgere, in momenti diversi, sia un’azione proossidante che antiossidante (26, 80).

Esperimenti fatti in vitro, ma che riproducono abbastanza fedelmente situazioni patologiche frequentemente riscontrabili in patologia umana quali lo stress ossidativo da riperfusione post-ischemica, hanno dimostrato un ruolo particolare della ferritina nella risposta allo stress ossidativo (21).

Infatti incubando estratti citoplasmatici con xantina ossidasi, l’enzima che si forma in vivo nel corso della riperfusione post-ischemica per conversione proteolitica della xantina deidrogenasi, si osserva una forte inibizione dell’attività dell’IRP, un fenomeno che dovrebbe portare ad un aumento della sintesi di ferritina e ad una dimunuzione dell’espressione del recettore della trasferrina con conseguente diminuzione del ferro nel LIP e riduzione della possibilità del ferro di catalizzare la formazione di ROS (vedi sopra).

L’aggiunta alla reazione di ferritina, ma non di apoferritina, accentua

l’effetto inibitore sull’attività di IRP della xantina ossidasi. Il meccanismo con cui la ferritina esercita questo effetto non è tuttavia il rilascio di ferro ma la stimolazione della sintesi di anione superossido mediata dal ferro in essa contenuto. In questo modo la ferritina, per via del suo contenuto di ferro, paradossalmente contribuisce alla formazione di superossido e, così facendo, grazie alla conseguente inibizione di IRP, abbassa i livelli di ferro libero e quindi previene la formazione di ben più dannosi radicali ossidrilici. Sembra pertanto che esista fra anione superossido e ferritina una sorte di cooperazione tesa a limitare le reazioni tossiche in favore di adattamenti protettivi.

Broxmeyer nel 1981 propose che le ferritine, in particolare quelle acidi- che, possono avere un ruolo regolatore sulla produzione di granulociti e macrofagi (17). Dapprima l’uso di anticorpi monoclonali specifici e poi la disponibilità di ferritine ricombinanti omopolimeriche hanno permesso di confermare il ruolo esclusivo della subunità H nell’inibizione della proli- ferazione di progenitori midollari della serie mieloide (18). Le cellule di pazienti con patologie ematologiche sono meno sensibili all’azione della ferritina, favorendo così la progressione della malattia (16). Si pensa che l’effetto sia dovuto all’importanza del ferro per il funzionamento della ribo- nucleotide reduttasi, enzima chiave per la sintesi del DNA.

In particolare, la subunità H eserciterebbe la sua funzione attaccandosi a recettori specifici sulla superficie cellulare ed interferendo, grazie alla sua attività ferroossidasica, con l’assorbimento cellulare di ferro. Altri studi hanno mostrato invece che la crescita di alcuni tipi cellulari in medium senza siero è favorita dalla presenza di ferritina (13). In questo caso si pensa che l’effetto a favore della proliferazione sia dovuto al ferro contenuto nella ferritina.

Recentemente, la dimostrazione che la ferritina purificata da fegato di

ratto può legarsi ad un vasto spettro di mRNA (47) ha evidenziato un suo

possibile ruolo generale nella regolazione del metabolismo del RNA e della

sintesi proteica, come in precedenza suggerito dalla dimostrazione che

particelle ribonucleiche avevano un effetto inibitorio sulla traduzione (33).

Il problema della sieroferritina

Gli studi accennati sopra sugli effetti che la presenza di ferritina nei terreni di coltura può avere sulla crescita cellulare ci introducono diretta- mente al problema delle ferritine extracellulari e, in particolare, a quello della ferritina sierica.

Completamente oscuri sono sia l’origine cellulare che i meccanismi di secrezione della ferritina extracellulare presente nel siero e in tutti i più importanti liquidi biologici (46). Non sono stati infatti trovati trascritti della catena H o L contenenti le sequenze segnale canoniche caratteristiche delle proteine destinate all’esportazione extracellulare.

Le ferritine extracellulari sono povere in ferro e hanno composizioni in subunità diverse: le ferritine nel latte, ad esempio, sono ricche di subunità H, che invece è del tutto assente nel siero (3, 73) (vedi Tabella 2). Sembra infatti che esistano proteine seriche in grado di legare specificamente le ferritine ricche di subunità H accelerandone molto la clearance (11, 34). Nel siero è stata invece identificata e parzialmente caratterizzata una subunità specifica glicosilata (subunità G), di peso molecolare 23000, immunologicamente simile alla subunità L (35, 73) (vedi Tabella 1).

Gli anticorpi usati comunemente per la determinazione della siero ferriti- na sono specifici per la subunità L e garantiscono quindi un efficace ricono- scimento. Solo con lo sviluppo di saggi immunoradiometrico nei primi anni 70 la ferritina sierica ha cominciato a venire determinata routinariamente con tecniche isotopiche radioimmunologiche in cui veniva marcata la fer- ritina (RIA) o l’anticorpo (IRMA). La disponibilità di anticorpi monoclonali ha poi indotto molti laboratori ad adottare stabilmente quest’ultima meto- dica. Questi dosaggi, pur sensibili e specifici, presentavano tutti gli svantaggi e le limitazioni date dall’uso di radioisotopi e quindi il dosaggio della sieroferritina è stato negli ultimi 10 anni molto facilitato dall’in- troduzione di metodiche non isotopiche. Oltre all’allargamento della pos- sibilità di eseguire il dosaggio anche da parte di laboratori non autorizzati all’uso dei traccianti radioattivi, anche l’automatizzazione della procedura ha contribuito a far si che questa determinazione rientri sempre più nella routine degli esami ematochimici.

Le più recenti metodiche prevedono l’uso di test immunoenzimatici

(ELISA) con lettura in fluorescenza o in chemiluminescenza. Sono disponibi-

li kit già pronti e standardizzati che consistono solitamente di una fase solida

a cui viene legato un anticorpo specifico per la ferritina e di una fase solubile

rappresentata dal siero in esame e da un anticorpo anti immunoglobuline

umane coniugato ad un enzima (es. fosfatasi alcalina) che possa dare una reazione chemiluminescente una volta che venga aggiunto l’adatto sub- strato. L’uso di anticorpi monoclonali per la ferritina fornisce un’elevata specificità mentre la possibilità di automatizzare i dosaggi garantisce una ottima riproducibilità, inoltre, la recente introduzione da parte del WHO di un nuovo standard internazionale, basato sulla catena L della ferritina uma- na prodotta tramite DNA ricombinante, dovrebbe garantire una calibrazione più riproducibile ed accurata e quindi ulteriormente migliorare la qualità dei dosaggi immunologici.

Parte della ferritina circolante deriva probabilmente, aspecificamente, da cellule danneggiate ma la presenza di subunità glicosilate che non si ritro- vano nella ferritina intracellulare, la sua stretta dipendenza dalla concen- trazione di ferro tissutale e la sua risposta a varie condizioni infiammatorie indicano che la maggior parte della ferritina sierica è attivamente secreta o perlomeno rilasciata specificamente.

Un dato che è stato spesso addotto a giustificazione della specificità del ritrovamento di ferritina in circolo è la presenza di mRNA per ambedue le catene su polisomi legati al reticolo endoplasmico (27, 75, 90), dove vengono sintetizzate le proteine destinate alla secrezione. Nonostante l’assenza di sequenze segnale di cui si è fatta menzione prima, il legame dei mRNA della ferritina ai polisomi legati è specifico e risponde a variazioni nella concen- trazione di ferro e a segnali fisiologici quali gli stimoli infiammatori (75);

tuttavia le catene di ferritina sintetizzate dai polisomi legati alle membrane non vengono inserite nelle membrane e non vanno incontro a processamenti quali il taglio del peptide segnale o la glicosilazione (79).

Inoltre la microiniezione di mRNA sia per la catena H che per la L in oociti di Xenopus laevis, che sono in grado di processare e secernere protei- ne esogene con grande efficienza, non ha portato alla comparsa di ferritina nel medium di incubazione (60). Il significato dell’abbondante presenza di mRNA della ferritina legato alla membrana del reticolo endoplasmico resta quindi oscuro. Un’indicazione sulla specificità dell’esistenza di ferritine extracellulari si ritiene che sia data dall’identificazione, anche se non dalla caratterizzazione, di recettori per la ferritina sulla superficie di diversi tipi cellulari (46). Bisogna tuttavia sottolineare che gli studi di interazione fra ferritine e recettori hanno sempre fatto uso di ferritine purificate da cellule o di ferritine intracellulari ricombinanti.

Collegata strettamente alla questione della sieroferritina è la recente

descrizione di alcune iperferritinemia di origine genetica riscontrate in

famiglie francesi ed italiane (14, 44). Queste forme famigliari, ereditate in

forma autosomica dominante, sono caratterizzate da livelli di ferritina

circolante molto alti e da cataratta congenita. L’iperferritinemia non è ferro-

correlata dal momento che non viene corretta dalla flebotomia. L’identifica-

zione di una mutazione nella sequenza di DNA codificante per l’IRE localiz-

zato al 5’ del mRNA della catena L ha permesso di chiarire la causa dell’ele- vata ferritinemia (8, 28, 43). La mutazione infatti sottrae la catena L alla regolazione traduzionale esercitata dall’IRP consentendone un’espressione incontrollata. Livelli elevati di catene L sono stati anche ritrovati in tutti i tessuti esaminati; la correlazione fra ferritina sierica e tissutale dimostra quindi convincentemente che uno stesso gene (alterato) codifica per ambe- due le ferritine. Se ne deduce che la maggior parte delle catene L sono sinte- tizzate nel citoplasma e restano all’interno della cellula mentre una (piccola) quota è indirizzata al reticolo endoplasmico dove viene probabilmente glicosilata e destinata alla secrezione.

Giova a questo proposito ricordare che nella catena L c’è un sito poten- ziale di glicosilazione nella porzione N terminale (46). Inoltre, è possibile che un segmento idrofobico di aminoacidi, dall’alanina in posizione 14 alla fenilalanina in posizione 37, possa funzionare come peptide signale interno;

l’inefficienza del sito di glicosilazione e del peptide segnale in posizione non

canonica potrebbero rendere ragione dell’esigua quota di ferritina che viene

secreta.

Significato clinico della sieroferritina

Nonostante sia quantitativamente irrilevante rispetto a quella intracellu- lare (meno del 1%, vedi Tabella 2) e contenga pochissimo ferro, la sierofer- ritina è clinicamente importante. Infatti, il dosaggio della sieroferritina è largamente, e giustamente, usato nella pratica clinica per la valutazione dei depositi corporei di ferro in quanto fornisce l’indice più accurato dei depositi di ferro dell’organismo (87). Infatti la concentrazione di ferritina nel siero è strettamente correlata con la quantità di ferritina intracellulare che è a sua volta prodotta in funzione dei livelli di ferro intracellulare. Recentemente abbiamo dosato la ferritina nei monociti di soggetti controllo e di pazienti con sovraccarico di ferro sia di natura genetica che secondaria (25). Le cellule del sistema reticoloendoteliale infatti rappresentano una delle maggiori sedi di deposito del ferro e si ritiene che i livelli di ferro al loro interno siano inversamente proporzionali all’assorbimento di ferro nell’intestino. Il ritrovamento di una correlazione statisticamente significativa fra ferritina sierica e ferritina monocitaria sia nei soggetti controllo che nei pazienti (Figura 7) ribadisce il ruolo fondamentale della ferritina serica come indicatore del ferro di deposito.

Nonostante una certa variabilità tra soggetti, si ritiene che 1 µg/l di ferritina corrisponda a circa 10 µg di ferro di deposito. Da quanto detto si deduce che il dosaggio della ferritina circolante, anche per la sua semplicità e non invasività, risulta utilissimo in un grandissimo numero di situazioni cliniche. Si ricorda qui la grande presenza nella popolazione di patologie legate ad alterazioni dei depositi di ferro nell’organismo. Infatti il sovrac- carico, sia secondario che di origine genetica, è molto diffuso: il primo è legato alla patologia alcolica, alle sindromi che richiedono trasfusioni ripetute, a vari tipi di anemie (15); l’emocromatosi ereditaria dal canto suo, con lo 0.3% di omozigoti, è probabilmente la malattia genetica più frequente al mondo (6). Ancora più diffusa è la carenza di ferro, specialmente nelle zone in via di sviluppo dove è causata sia da ipoalimentazione che da altre cause che limitano l’assorbimento di ferro (30). Anche nei paesi sviluppati tuttavia la carenza di ferro, è largamente riscontrata, specialmente tra le donne. Il dosaggio della ferritina circolante dovrebbe pertanto far sempre parte, con la valutazione della sideremia e la determinazione della trasferrina, degli esami eseguiti quando si vuole accertare lo stato del metabolismo marziale.

Nei soggetti normali la concentrazione di ferritina nel siero varia da 10 a

300 µg/l e riflette le modificazioni dell’equilibrio del ferro corporeo dovute

Figura 7. Correlazione fra livelli di ferritina monocitaria e di ferritina serica in soggetti sani e in pazienti con emocromatosi genetica. L’analisi di regressione mostra la correlazione fra la concentrazione della ferritina serica (in ascissa) e quella della ferritina contenuta nei monociti (in ordinata sia nei soggetti controllo (pannello superiore) che in pazienti effetti da emocromatosi genetica (pannello inferiore).

1600,00 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0

Regression Plot

Regression Plot 3500,00

3000,00 2500,00 2000,00 1500,00 1000,00 500,00 0

10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 Ferr S C

Y= -234,38 + 30,123 * X R^2 = ,711

0 2000,00 4000,00 6000,00 8000,00 Ferr S GH

Y = 719,793 + ,24 * X; R2 = ,457

R = 0.843 P = < 0.001

R = 0.67

P = 0.02

all’età, alla dieta e al sesso (87). Nella carenza di ferro la ferritinemia può abbassarsi al di sotto dei 10 µg/l, valori che consentono di diagnosticare senza dubbi una sideropenia, l’unica condizione che porta ad una riduzione di ferritinemia, escludendo rari casi di ipotiroidismo e scorbuto.

La capacità della concentrazione di ferritina sierica di riflettere le riserve di ferro permette, tramite la sua determinazione, di scoprire una carenza di ferro prima che essa porti allo sviluppo dell’anemia. Tuttavia, benché bassi livelli di sieroferrina siano eccellenti indicatori di una deplezione di ferro, ci sono alcune limitazioni al suo uso esclusivo per la diagnosi di una anemia ferro-priva. Infatti la sieroferrina non indica la severità della mancanza di ferro, pertanto, in un paziente anemico, bassi livello di siero ferritina possono indicare una deplezione delle riserve del metallo ma non indivi- duano la causa dell’anemia, specialmente in quei soggetti proni alla defi- cienza di ferro quali le donne in gravidanza o i bambini in fase di crescita. A questo riguardo il dosaggio del recettore della trasferrina nel siero, una volta stabilmente entrato nella pratica clinica come parametro indipendente dello

“status” del ferro, potrà essere di grande aiuto. Infatti, la concentrazione del recettore solubile è direttamente proporzionale alla sua espressione sulla membrana delle cellule, a sua volta indice della quantità di ferro cellulare, specialmente delle cellule deputate all’eritropoiesi.

La concentrazione nel siero della ferritina e del recettore della trasferrina sono quindi inversalmente proporzionali. In particolare, il dosaggio di quest’ultima proteina è utilissimo per il monitoraggio del passaggio tra un iniziale depauperamento della riserva marziale e lo sviluppo di una condizione di anemia. Un indice che tenga conto del rapporto fra le concen- trazioni seriche delle due proteine sembra pertanto essere un buon in- dicatore dello “status” del ferro di un individuo (32).

Al di sopra dei 300 µg/l si ha sovraccarico marziale che in alcuni casi può portare a ferritinemie ben al di sopra dei 1000 µg/l. La sieroferritina può essere influenzata anche da condizioni patologiche in cui il ferro non è coinvolto direttamente: si tratta dei processi infiammatori, delle epatopatie e delle neoplasie. L’infiammazione e l’infezione causano, tramite l’azione di numerose citochine, una riduzione dell’assorbimento di ferro e una maggior ritenzione nelle cellule reticoloendoteliali che provocano iposideremia e innalzamento dei valori di ferritina sierica (55).

La ridotta disponibilità di ferro per la sintesi di emoglobina può poi

portare alla anemia da malattia cronica in cui non si ha una carenza di ferro

assoluta ma solo una sua alterata distribuzione e una ridotta biodisponi-

bilità. La ferritinemia quindi in questo caso non è correlata ai depositi di

ferro e la ferritina può quindi essere quasi considerata una proteina di fase

acuta. Anche in questo caso il dosaggio del recettore della trasferrina

solubile può essere importante, infatti esso non sembra risentire delle con-

dizioni infiammatorie. Anche nei soggetti epatopatici la elevata ferritinemia

non rispecchia un aumento del ferro di deposito. Il fegato è particolarmente ricco di ferritina e quindi la citolisi che spesso accompagna le epatopatie, unitamente alla ridotta sintesi di proteine epatiche che contribuiscono alla clearance della sieroferritina dovuta alla compromissione della funzionalità epatica, può essere ritenuta la causa principale dell’innalzamento della ferritinemia in queste patologie. Gli stessi eventi, cioè il blocco reticolo- endoteliale del ferro dovuto ad uno stato infiammatorio cronico e la notevole citolisi associata ad intensa attività proteino-sintetica si riscontrano anche nelle cellule tumorali e quindi la causa dei valori elevati di sieroferritina riscontrati in pazienti affetti da vari tipi di neoplasie è probabilmente dovuta ad un non specifico passaggio in circolo di ferritina intracellulare.

Sono state descritte anche altre forme di iperferritinemia non ereditaria e apparentemente non dovuta a sovraccarico di ferro generalizzato. L’identifi- cazione della mutazione a carico del gene dell’emocromatosi in soggetti affetti da alcune di queste iperferritinemie fa si che sia possibile che alcuni di questi pazienti siano inquadrabili in particolari gruppi di emocromatosici senza alterazioni della saturazione della trasferrina (41).

La determinazione della ferritinemia può avere rilevanza anche per la

valutazione dello “status” del ferro in alcune situazioni non francamente

patologiche, ad esempio negli sportivi. E’ piuttosto diffuso il concetto che

un’intensa pratica sportiva, in particolare quella con prevalente carattere

aerobico, possa avere effetti negativi sullo stato ematologico provocando

quella che viene definita anemia da sport. Dal momento che la carenza di

ferro è una causa comune di anemia, un valore di sieroferritina piuttosto

basso è visto come sintomo preoccupante da parte dello sportivo, dell’alle-

natore e, spesso, anche del medico sportivo. Tuttavia, numerosi studi hanno

evidenziato come valori anche intorno ai 10 µg/l di ferritinemia, ma in

presenza di livelli normali di emoglobina, non riducano il massimo consumo

di ossigeno e non siano limitanti la performance atletica (31). Ne consegue la

raccomandazione che atleti con intensa attività sportiva prevengano pos-

sibili gravi ferro carenze con una dieta adeguatamente ricca di ferro, in

particolare ferro eminico, ma non vadano indiscriminatamente trattati con

terapie marziali che, in considerazione dei possibili effetti tossici del

sovraccarico di ferro, se non necessarie, sono sempre da evitare.

Conclusioni

La distribuzione ubiquitaria della ferritina in tutti gli organismi che con- tengono ferro indica chiaramente come essa sia necessaria per l’omeostasi intracellulare del ferro. La struttura della ferritina è specificamente adattata per mantenere il ferro in forma solubile e disponibile.

Praticamente tutte le ferritine, con la probabile eccezione della sieroferri- tina, hanno attività ferrossidasica, cioè trasformano il pericoloso Fe(II) nel meno tossico Fe(III). Questo è importante non solo per facilitare il sequestro del ferro, ma anche per regolare la reattività chimica del metallo. La ne- cessità per tutte le cellule, anche quelle che non sono specificamente depu- tate alla conservazione del ferro, di avere ferritina può essere dovuta al suo duplice ruolo: regolare la tossicità del ferro e al contempo facilitare la forma- zione di forme di deposito da cui il metallo possa essere facilmente reso biodisponibile.

I recenti dati sulla regolazione coordinata del metabolismo intracellulare del ferro aprono poi nuove prospettive per capire il ruolo della ferritina.

Infatti, l’IRP è il sensore dello stato cellulare del ferro e la ferritina è probabilmente una delle molecole che attivamente regolano i livelli di ferro.

Tale regolazione è probabilmente dinamica e complessa e coinvolge modulazioni sia nell’assunzione che nel rilascio di ferro, alterazioni nello stato ossidoriduttivo e interazioni con altri componenti cellulari ancora ignoti. La conoscenza delle funzioni biologiche della ferritina in qualità di proteina principale dello scomparto cellulare destinato a conservare il ferro potrà essere rilevante non solo per lo studio dei processi fisiologici normali ma anche per la comprensione dei fenomeni patologici presenti nelle numerose malattie associate ad alterazioni del metabolismo del ferro

Ringraziamenti

L’autore ringrazia per la preziosa collaborazione scientifica tutti i

colleghi, sia dell’Istituto di Patologia Generale che di altre Istituzioni, con cui

negli ultimi anni ha affrontato lo studio del metabolismo del ferro; un

apprezzamento particolare alla Dott. Stefania Recalcati che ha prestato un

valido aiuto anche alla stesura di questa monografia.

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